一种材料着火点试验考核装置及考核方法与流程

本发明属于材料性能试验考核装置，具体涉及一种材料着火点试验考核装置及考核方法。

背景技术：

液体火箭发动机中，某些部件(例如燃气路结构的各个组件：燃气管路、涡轮静子和转子等)工作在高温环境中，随着发动机性能要求的提高(例如：高性能液氧煤油补燃循环发动机)，发动机部件的工作环境也随之变得更加严苛，工作温度也面临新的挑战。

为了适应更为严苛的工作环境，提升发动机的性能需建立在研究人员掌握高温环境下各部件所用材料性能的基础上，但目前材料的温度性能数据已无法为新型发动机的研究提供强大的数据支撑，并且现有的金属点燃试验无法提供高温高压富氧条件，使得材料的着火点难以得到验证。因此，亟需设计一种新的材料着火点试验考核装置，全面考核材料的耐温极限，检查其是否满足相应温度下工作的要求，确保发动机材料选型的有效性。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决目前材料温度性能数据有限，并且现有的金属点燃试验无法提供高温高压富氧条件，使得材料着火点难以得到验证的问题，而提供了一种材料着火点试验考核装置及考核方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种材料着火点试验考核装置，其特殊之处在于，包括依次连通的燃气发生器、水冷段、试片夹持段、监测段以及工艺喷管；所述燃气发生器用于为待考核试片提供高温高压的富氧燃气；所述水冷段的长度大于等于600mm，用于提升燃气的均匀性，理论上来说，长度越长，燃气流场越均匀，但是身部越长，固定越麻烦，整个装置成本会增加，因此长度控制在不低于600mm即可；所述水冷段和监测段上均设置有温度传感器和压力传感器，用于监测待考核试片前后方的燃气温度、压力及压力波动情况；所述工艺喷管用于控制所述富氧燃气的来流压力，可通过更换不同喉部尺寸的工艺喷管来改变来流压力；所述水冷段、试片夹持段、监测段以及工艺喷管均采用高温合金材质。

进一步地，为了考核材料在高温高压燃气冲刷环境中的耐温极限与性能，所述燃气发生器提供的富氧燃气温度为800k～900k、压力为12～16mpa、氧含量高于89％、流速为100～500m/s，考核范围较广。

优选地，为了进一步提升燃气的均匀性，所述水冷段包括相互连通的两节水冷燃气管；所述水冷燃气管包括燃气通道、分别设置在燃气通道两端的第一法兰和第二法兰，以及设置在燃气通道侧壁上的冷却工质入口管接头和冷却工质出口管接头，其中，冷却工质入口管接头靠近第二法兰，冷却工质出口管接头靠近第一法兰；在冷却工质入口管接头与燃气通道的连接处设置有冷却工质入口集液腔，在冷却工质出口管接头与燃气通道的连接处设置有冷却工质出口集液腔；燃气通道侧壁中设置有沿燃气通道轴向延伸的多个冷却通道，所述冷却通道的一端通过所述冷却工质入口集液腔与冷却工质入口管接头连通，另一端通过所述冷却工质出口集液腔与冷却工质出口管接头连通；所述冷却工质入口管接头与冷却工质入口集液腔的连通部位、所述冷却工质出口管接头与冷却工质出口集液腔的连通部位，均设置有用于过渡连接和均流的栅格结构；所述栅格结构的厚度大于等于5mm。当然，也可只采用一节满足长度要求的水冷燃气管。

优选地，为了便于安装温度传感器和压力传感器，所述燃气通道的外壁上还设置有若干燃气温度与压力测试接口；所述冷却通道在燃气温度与压力测试接口处，为环向连通；为了避免了法兰局部温度过高，所述冷却工质入口集液腔一部分位于所述冷却工质入口管接头的出口端，一部分位于所述第二法兰内；所述冷却工质出口集液腔一部分位于所述冷却工质出口管接头的入口端，一部分位于所述第一法兰内；所述冷却工质入口集液腔和冷却工质出口集液腔处的燃气通道的内壁厚度，大于所述冷却通道处的燃气通道的内壁厚度。

优选地，为了使得冷却工质流动更加均匀，提高冷却效果，所述冷却工质入口管接头上靠近第二法兰处的内壁与燃气通道内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a1、所述冷却工质出口管接头上靠近第一法兰处的内壁与燃气通道内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角均小于等于40°；所述冷却工质入口集液腔与冷却工质出口集液腔结构相同，均为截面渐变式腔体，从法兰端向燃气通道中部划分为依次连通的大腔、中腔和小腔；所述小腔的外壁与燃气通道的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a3小于等于40°，小腔的内壁与燃气通道的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a4小于等于20°，中腔的外壁与燃气通道的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a2小于等于30°；所述冷却通道在所述燃气温度与压力测试接口外侧处的断面与冷却通道底面之间的夹角a6小于等于45°；所述燃气温度与压力测试接口外周整体呈圆台结构，所述圆台结构外壁与燃气通道内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a5小于等于45°。

优选地，所述冷却工质入口管接头的入口端截面为圆形，出口端截面为椭圆形，且椭圆形长轴沿燃气通道外壁轴向设置，从入口端到出口端的形状渐变且光滑过渡；所述冷却工质出口管接头的入口端截面为椭圆形，且椭圆形长轴沿燃气通道外壁轴向设置，出口端截面为圆形，从入口端到出口端的形状渐变且光滑过渡；所述冷却工质入口集液腔和冷却工质出口集液腔均为环形腔。

优选地，所述试片夹持段包括试片安装台以及压板；为了避免燃气外泄，发生事故，所述试片安装台密封安装在水冷段与监测段之间，其内部沿轴向设置有燃气流道，其中段沿径向设置有待考核试片安装槽；为了降低流阻，试片安装台的内壁由燃气入口端向所述安装槽处圆弧过渡，流道截面积逐渐缩小；所述压板为圆环状，其设置在试片安装台内腔并将待考核试片压紧(即由试片安装台燃气出口端进入试片安装台内腔将待考核试片压紧)。试片形状可根据需要设计，也可在试片表面喷涂涂层，考核涂层性能，试片两端留有安装端，安装端可不涂覆涂层，以保证两端的安装尺寸，方便安装。

优选地，所述压板周向与试片安装台内壁采用螺纹配合，通过旋入方式压紧待考核试片，且压板靠近燃气出口端的端面上开设有卡槽，便于使用工装进拧紧与拆卸；所述压板有两件，利用双道螺纹进行防松，沿轴向依次压紧待考核试片；为了节省试验成本，通过调节安装槽以及待考核试片的尺寸，使得所述安装槽上同时沿径向安装多个待考核试片，进而满足一次试验考核多片试片的目的。

优选地，所述水冷燃气管通过3d打印整体成型；所述工艺喷管采用水冷方式，其内外壁之间为铣槽结构，有利于重复使用。

同时，本发明还提供了采用上述材料着火点试验考核装置的考核方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将待考核试片固定安装在试片夹持段内，并将材料着火点试验考核装置组装到位；

2)将组装好的所述考核装置安装在试验台上，进行试前检查；

3)启动所述考核装置，对所述试片进行考核试验，记录所述试片前后的燃气温度、压力及压力波动情况；

4)试验完成，待考核装置冷却，将试片夹持段从水冷段与监测段之间拆卸，取出已考核的试片；

5)对已考核的试片进行检查，获得材料着火点试验相应数据，该试片考核完成。

如果要进行考核的试片较多，还包括以下步骤:

6)将另一批待考核试片固定安装在试片夹持段内，并将试片夹持段重新安装在水冷段与监测段之间，重复步骤2)-步骤5)；

7)重复步骤6)，直至所有待考核试片考核完成后，将所述考核装置从试验台上拆下，考核试验完成。

本发明的优点是：

1.本发明结构简单，采用燃气发生器，为待考核试片高温高压富氧燃气的试验环境，最高考核温度高，考核范围广，试验数据可靠，可全面考核材料的耐温极限与性能，检查材料是否满足相应工作温度下的使用要求，解决了目前材料着火点难以验证的问题，降低了新型发动机(例如，高性能液氧煤油补燃循环发动机)研制风险。

2.本发明首次同时满足高温(800k以上)、高压(压力12mpa以上)、富氧条件(氧气含量89％以上)，燃气流速模拟发动机涡轮静叶入口流速(100m/s以上)；试验工况环境与发动机实际工作条件更为接近，金属材料着火点考核更为充分；同时，考核装置可通过调整燃气发生器混合比和流量，模拟来流温度；通过改变工艺喷管的喉部尺寸，模拟来流压力。

3.本发明中水冷燃气管采用面向3d打印工艺的结构设计，实现了冷却工质入口管接头、冷却工质入口集液腔、冷却通道等与燃气管路整体无支撑设计，该结构能够满足3d打印技术整体一次成型要求，无需传统工艺环节中的多道机架、钎焊、对接焊等工序程序，产品加工和周转周期大幅缩短，产品一致性和连接强度、刚度较好，质量控制更为有效，研制成本大幅降低。

4.本发明中水冷燃气管在管接头与集液腔的连通部位设置的栅格结构,具有三方面作用：一是起到过渡连接燃气通道外壁与集液腔的作用；二是能够避免冷却工质直接冲击集液腔内壁，对集液腔内壁具有保护作用；三是能够初步分配冷却工质流量，对冷却工质进行初步均流。

5.传统带铣槽冷却的燃气通道，集液腔位于外壁与法兰之间，法兰部分的燃气管路无法冷却；本发明的水冷燃气管兼顾法兰冷却与连接作用，将冷却工质入口集液腔和冷却工质出口集液腔的一部分深入至相应的端部法兰处，对两端的法兰进行冷却，避免了法兰局部温度过高，同时还能缩短整体结构长度。

6.本发明的水冷燃气管中冷却工质入口管接头与冷却工质出口管接头的型面采用渐扩形式，即用于与外部接口连接的一端为圆形以便于与标准接口对接，另一端为椭圆形能够有效增大与燃气通道连接处流通面积的同时有效减小该连接处对法兰空间的影响，从而充分利用燃气通道外壁与端部法兰的周向空间，实现在较小的设计空间内，完成圆形端口到椭圆端口的完整平滑过渡；由于增大了入口通道有效流通面积，能够保证冷却工质先充填满集液腔，随后均匀流向周向各冷却通道，避免了冷却工质流量在周向冷却通道内分配不均而导致部分燃气管路温度过高引起结构失效的缺陷；椭圆形端口与集液腔一体化设计，使得整体结构更加紧凑。

7.本发明的水冷燃气管冷却工质入口管接头和冷却工质出口管接头处的特征角度均小于等于40°，冷却工质入口集液腔和冷却工质出口集液腔处的特征角度a2小于等于30°，a3小于等于40°，a4小于等于20°，能够满足整体成型过程中这些结构处无需添加支撑，并且能够使得冷却工质流动更加均匀，提高冷却效果。

8.本发明的水冷燃气管冷却工质入口集液腔与冷却通道之间，冷却工质出口集液腔与冷却通道之间采用变截面设计，保证集液腔区域的燃气通道内壁厚度相对较大，能够满足强度要求；另一方面，由于集液腔区域的燃气通道内壁厚度较大，使得流阻增大，起到了局部节流作用，能够确保冷却工质进入管路后先充满集液腔。

9.本发明的水冷燃气管可集成燃气温度与压力测试接口，方便安装温度传感器和压力传感器，且冷却通道在燃气温度与压力测试接口处，为环向连通，燃气温度与压力测试接口外部周向为圆台结构，能够保证燃气温度与压力测试接口处工质流动顺畅；且圆台结构外壁与燃气通道内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a5小于等于45°，冷却通道在所述燃气温度与压力测试接口外侧的断面与冷却通道底面之间的夹角a6小于等于45°，能够满足3d打印工艺整体成型要求，满足强度需求，避免添加支撑结构。

10.本发明考核装置可重复使用，考核方法操作简便，试片方便拆卸更换，一次试验可安装多片试片，方便进行多材料的对比试验，可大幅降低试验成本。

附图说明

图1为本发明材料着火点试验考核装置的结构示意图；

图2为本发明材料着火点试验考核装置中试片夹持段的结构示意图；

图3为试片夹持段中试片安装台的结构示意图；

图4为图3中a-a剖视图；

图5为试片夹持段中压板的结构示意图；

图6为图5中b-b剖视图；

图7为本发明材料着火点试验考核装置中水冷燃气管的轴测图；

图8为本发明中水冷燃气管的剖视图；

图9为本发明中水冷燃气管冷却工质入口管接头与冷却工质入口集液腔处的局部剖视图；

图10为本发明中水冷燃气管冷却通道处的剖视图；

图11为本发明中水冷燃气管冷却通道处燃气温度与压力测试接口的局部视图(去除管路外壁)；

图12为本发明中水冷燃气管冷却通道和燃气温度与压力测试接口处局部剖视图一；

图13为本发明中水冷燃气管冷却通道和燃气温度与压力测试接口处局部剖视图二；

附图标记如下：

1-燃气发生器，2-水冷段，3-试片夹持段，4-监测段，5-工艺喷管，6-水冷燃气管，7-试片安装台，8-压板；9-安装槽，10-卡槽，11-待考核试片，12-第一水冷燃气管，13-第二水冷燃气管；14-第一法兰，15-冷却工质出口集液腔，16-冷却通道，17-冷却工质入口管接头，18-第二法兰，19-冷却工质入口集液腔，20-燃气通道，21-冷却工质出口管接头，22-燃气温度与压力测试接口，23-栅格结构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1-图13所示，一种材料着火点试验考核装置包括依次连通的燃气发生器1、水冷段2、试片夹持段3、监测段4以及工艺喷管5；水冷段2、试片夹持段3、监测段4以及工艺喷管5均采用高温合金材质。

燃气发生器1用于为待考核试片11提供高温高压的富氧燃气，为了考核材料在高温高压燃气冲刷环境中的耐温极限与性能，可提供的富氧燃气温度所述燃气发生器1提供的富氧燃气温度为800k～900k、压力为12～16mpa、氧含量高于89％、流速为100～500m/s，考核温度范围广，试验工况环境与发动机实际工作条件更为接近，材料考核更为充分，且通过调整燃气发生器1中燃料和氧气的混合比和流量，模拟试件来流温度。

水冷段2的长度600mm，为了提升燃气的均匀性，水冷段2有两个300mm的水冷燃气管6(分别称之为第一水冷燃气管12和第二水冷燃气管13)连接而成，如图7-8所示，两个水冷燃气管6均可通过3d打印整体成型，其包括燃气通道20、分别设置在燃气通道20两端的第一法兰14和第二法兰18，以及设置在燃气通道20侧壁上的冷却工质入口管接头17和冷却工质出口管接头21，其中，冷却工质入口管接头17更靠近第二法兰18，冷却工质出口管接头21更靠近第一法兰14。

冷却工质入口管接头17和冷却工质出口管接头21均采用渐扩形式，整体呈类壶嘴状；冷却工质入口管接头17的入口端截面为圆形，出口端截面为椭圆形，从入口端到出口端的形状渐变且光滑过渡，且椭圆形长轴沿燃气通道外壁轴向设置；冷却工质出口管接头21的入口端截面为椭圆形，出口端截面为圆形，从入口端到出口端的形状渐变且光滑过渡，且椭圆形长轴沿燃气通道外壁轴向设置。

在冷却工质入口管接头17与燃气通道20的连接处设置有与冷却工质入口管接头17的出口端相连通的冷却工质入口集液腔19，在冷却工质出口管接头21与燃气通道20的连接处设置有与冷却工质出口管接头21的入口端相连通的冷却工质出口集液腔15。冷却工质入口集液腔19和冷却工质出口集液腔15均为环形腔。

燃气通道20的侧壁为中空结构，该中空结构内设置有沿燃气通道20轴向延伸的多个并排、间隔设置且沿燃气通道20圆周均布的冷却通道16，冷却通道16的一端通过冷却工质入口集液腔19与冷却工质入口管接头17连通，冷却通道16的另一端通过冷却工质出口集液腔15与冷却工质出口管接头21连通。优选的，相邻两个冷却通道16之间的间隙大于等于2mm，无死角，可确保3d打印后期粉末清理顺畅，无多余物。

第二水冷燃气管13的燃气通道20外壁上还设置有若干燃气温度与压力测试接口22；部分冷却通道16在燃气温度与压力测试接口22处局部被截断，这些被局部截断的冷却通道之间沿燃气温度与压力测试接口22外周环向连通。在此，第一水冷燃气管上可不用设置燃气温度与压力测试接口。

如图9所示，冷却工质入口管接头17与冷却工质入口集液腔19的连通部位、冷却工质出口管接头21与冷却工质出口集液腔15的连通部位，均设置有用于均流的、厚度大于等于5mm的栅格结构23，该栅格结构23起到过渡连接和初步分配冷却工质流量的作用。为保证强度，冷却工质入口集液腔19和冷却工质出口集液腔15处的燃气通道20的内壁厚度，大于冷却通道16处的燃气通道20的内壁厚度。

为了缩短整体结构长度，兼顾法兰冷却与连接作用，水冷燃气管6在设计时，将冷却工质入口集液腔19的一部分位于所述冷却工质入口管接头17的出口端，一部分位于第二法兰18内；同样的，将冷却工质出口集液腔15一部分位于冷却工质出口管接头21的入口端，一部分位于第一法兰14内。

如图9所示，冷却工质入口管接头17上更靠近第二法兰18处的内壁与燃气通道20内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a1小于等于40°，同样的，冷却工质出口管接头21上更靠近第一法兰14处的内壁与燃气通道20内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角小于等于40°(图中未示出，这里仅以夹角a1为例在图中示出)；冷却工质入口集液腔19与冷却工质出口集液腔15结构相同，均为截面渐变式腔体，从法兰端向燃气通道20中部划分为依次连通的大腔、中腔和小腔；小腔的外壁与燃气通道20的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a3小于等于40°，小腔的内壁与燃气通道20的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a4小于等于20°，中腔的外壁与燃气通道20的内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a2小于等于30°。

如图10-13所示，冷却通道16在所述燃气温度与压力测试接口22外侧的断面与冷却通道16底面之间的夹角a6小于等于45°；燃气温度与压力测试接口22外周整体呈圆台结构，所述圆台结构外壁与燃气通道20内壁沿两者共同轴向断面之间的夹角a5小于等于45°。

试片夹持段3包括试片安装台7以及压板8；利用长螺栓将试片安装台7密封安装在水冷段2与监测段4之间，其内部沿轴向设置有燃气流道，其中部沿径向设置有用于安装待考核试片11的矩形安装槽9；为了降低流阻，试片安装台7的内壁由燃气入口端向安装槽9处圆弧过渡，流道截面积逐渐缩小；压板8为圆环状，其由试片安装台7燃气出口端进入试片安装台7内腔将待考核试片11压紧。试片形状可根据需要设计，也可在试片表面喷涂涂层，考核涂层性能，试片两端留有安装端，安装端可不涂覆涂层，以保证两端的安装尺寸，方便安装。压板8有两件，沿轴向依次压紧待考核试片11，每块周向与试片安装台7内壁采用螺纹配合，采用旋入方式压紧待考核试片11，利用双道螺纹进行防松；且压板8靠近燃气出口端的端面上开设有卡槽10，便于使用工装进拧紧与拆卸。为了节省试验成本，通过调节安装槽9以及待考核试片11的尺寸，使得所述安装槽9上同时沿径向安装多个待考核试片11，进而满足一次试验考核多片试片的目的。

第二水冷燃气管13和监测段4上均设置有温度传感器和压力传感器，用于监测待考核试片11前后方的燃气温度、压力及压力波动情况。

工艺喷管5用于控制所述富氧燃气的来流压力，通过使用不同尺寸喉部的工艺喷管5，可调节来流压力，工艺喷管5采用水冷方式，其内外壁之间为铣槽结构，有利于重复使用。

采用上述材料着火点试验考核装置的考核方法，包括以下步骤：

1)将待考核试片固定安装在试片夹持段内，并将材料着火点试验考核装置组装到位；

1.1)将燃气发生器和第一水冷燃气管的第一法兰通过螺栓密封连接；

1.2)将第一水冷燃气管的第二法兰与第二水冷燃气管的第一法兰通过螺栓密封连接；

1.3)将监测段与工艺喷管通过螺栓连接；

1.4)将待考核试片(一块或多块)安装在试片安装台的安装槽中；

1.5)使用工装依次旋入两件压板压紧待考核试片，完成试片夹持段的组装；

1.6)将装好试片的试片夹持段安装在水冷段和监测段之间，长螺栓穿过水冷段和监测段上的法兰拧紧，使试片夹持段被压紧固定；

上述1.1)～1.5)的顺序可根据实际操作发生变化。

2)将组装好的考核装置安装在试验台上，进行试前检查，确保安全；

3)启动考核装置，对所述试片进行考核试验，记录试片前后的燃气温度、压力及压力波动情况；

4)试验完成，待考核装置冷却，将试片夹持段从水冷段与监测段之间拆卸，取出已考核的试片；

4.1)试验完成，待考核装置冷却，小心取下测试段和工艺喷管的连接件；

4.2)小心取下试片夹持段；

4.3)使用工装将两件压板依次拧出；

4.4)取出已考核的试片；

5)对已考核的试片进行检查，获得材料着火点试验相应数据，该试片考核完成。

6)将另一批待考核试片固定安装在试片夹持段内，并将试片夹持段重新安装在水冷段与监测段之间，重复步骤2)～步骤5)；

7)重复步骤6)，直至所有待考核试片考核完成后，将所述考核装置从试验台上拆下，考核试验完成。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。